.
Импульсные и цифровые устройства. Логические элементы Дешифраторы и шифраторы Мультивибраторы Проектные параметры резисторов Элементы инжекционной логики Конструкции МДП-транзисторов Проектирование топологии ИС

Физика решение задач

Базовые элементы цифровых биполярных микросхем

На биполярных транзисторах реализованы функциональные элементы цифровых устройств, отличающиеся схемной организацией. Варианты схемных построений генерировались и сменялись по мере развития технологии производства микроэлектронных изделий. Позитивные свойства отдельных вариантов схемной организации цифровых элементов обеспечили им применение наряду с иными вариантами исполнений в современной микроэлектронике. Основным функциональным элементом цифровых устройств является элемент И-ИЛИ-НЕ с числом входов не менее двух, на основе которого реализуются функциональные узлы и устройства ЭВС. Элементы И-ИЛИ-НЕ по функции преобразования принято называть логическими, а вариант их схемной организации определять как схемный вариант логики. В условиях ограниченной доступности массового применения полупроводниковых диодов первые логические элементы содержали один-два БПТ и резисторы. Резисторы в этих элементах применялись для построения схем логического объединения нескольких цифровых входных переменных. Логические элементы, исполненные на БПТ и резисторах, получили название резистивно-транзис-торной логика (РТЛ). Названная разновидность логических элементов имела недостатком повышенное взаимное влияние входов, низкое быстродействие в переключении, повышенное энергопотребление и габариты. По мере развития технологии массового производства и снижения цены полупроводниковых приборов (диодов и транзисторов) на смену РТЛ были предложены варианты диодно-транзисторной логики (ДТЛ) и эмиттерно-свя-занной логики (ЭСЛ). В ДТЛ логическое преобразование входных переменных выполняется на диодно-резистивных композициях, существенно снижающих, в сравнении с РТЛ, взаимную связь между входами, энергопотребление. Наряду с качественной взаимной изоляцией входов и независимостью тока управления БПТ элемента от входных сигналов, время переключения ДТЛ элемента ограничивается длительностью диффузионных процессов в диодах логического преобразования.

 В ЭСЛ логические преобразования в элементе выполняются параллельно включенными ненасыщенными БПТ. Диоды-резис-торы в ЭСЛ применяются исключительно в цепях ограничения токов и установки режима статического электропитания и слабо влияют на время переключения элемента. Ненасыщенный режим функционирования транзисторов ЭСЛ позволяет исключить задержки, связанные с накоплением носителей в БПТ при насыщении. Поэтому эмиттерно-связанная логика, как базисное решение, не имеет равных по быстродействию. Благодаря симметричному включению переключающих транзисторов ЭСЛ широко применяется в качестве симметричных источников и приемников сигнала в трактах передачи сигналов с повышенными требованиями к помехозащищенности. Недостатком логических элементов ЭСЛ является сравнительно высокое значение их выходного сопротивления, исключающее эффективную коммутацию токов в нагрузках. Для этих целей предпочтительны несимметричные выходные каскады ДТЛ. Элементы ДТЛ на дискретных электрорадиоэлементах и в интегральном исполнении применяются для управления устройствами электроавтоматики при повышенных уровнях сигналов и повышенных требованиях к помехозащищенности.

В интегральном исполнении при пониженных уровнях сигналов (менее 3–5 В) альтернативным ДТЛ решением явилось применение в них МЭТ вместо диодных схем логического умножения или сложения на входах. Это позволило уменьшить габаритные размеры входных цепей, снизить задержку распространения сигнала во входных цепях логических элементов. Схемный вариант логического элемента с МЭТ на входе получил название транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). С 60-х годов прошедшего века и по настоящее время для технологий биполярных приборов ТТЛ и ЭСЛ занимают доминирующее положение в интегральных исполнениях цифровых устройств. Дальнейшее совершенствование схемных исполнений логических элементов с биполярными транзисторами связано с применением диодов и транзисторов Шоттки для повышения быстродействия исполнений ТТЛ и с применением технологии МКТ БПТ для снижения энергопотребления. Далее приводятся схемно-топологические исполнения модификаций элементов ТТЛ, ЭСЛ, ТТЛШ (с приборами Шоттки), И2Л.

Элементы транзисторно-транзисторной логики

Транзисторно-транзисторные элементы (ТТЛ) являются схемотехнической основой микросхем среднего и высокого быстродействия. В зависимости от значения выходного тока и емкости нагрузки базовый элемент ТТЛ исполняется с простым усилителем (см. рисунок 2.75) или со «сложным» усилителем мощности (см. рисунок 2.76). На рисунке 2.75 проставлены со-путствующие элементам схемы емкости в предположении ис-полнения резисторов в базовом слое общего или раздельных коллектрных «карманов» (см. рис. 2.55). Транзистор VT1 с резистором R1 (см. рис. 2.75) выполняют функцию двухвходовой схемы совпадения для сигналов уровня U1. Транзистор VT2 с резистором R2 выполняют функцию инвертирующего усилителя мощности.

Компоновка топологических конфигураций транзисторов и резисторов выполняется с учетом технологических допусков, с соблюдением правил и норм по их взаимному размещению.

 В элементе ТТЛ со сложным усилителем мощности, изображенном на рисунке 2.76, транзистор VT2 с нагрузочными резисторами R2, R3 выполняет функцию фазового делителя, с выходами по коллектору и эмиттеру. Элементы VT3, VT4, VD1, R4 являются «силовой» цепью усилителя мощности. Благодаря противофазному управ-лению транзисторы VT3, VT4 при управлении по входам 1, 2 находятся во взаимно противоположных состояниях (если транзистор VT3 открыт, то транзистор VT4 находится в закрытом состоянии). Выводы 3, 6 предназначены для подключения параллельно транзистору VT2 транзисторов логических расширителей для дополнения функций преобразования элемента операцией логического сложения. При соединении входов 2, 6 рассматриваемый элемент получает возможность реализовать так называемое третье логическое состояние, в котором транзисторы VT3, VT4 одновременно закрыты. Это состояние элемента реализуется подключением на входы 2, 6 напряжения низкого уровня (U0) и рассматривается как «отключенное» по выходу 5. Уровни входных и выходных напряжений элемента ТТЛ с усилителем мощности находятся в пределах

–Ud < U0< (0,5–1)Ud; (Еп – 2Ud)> U1> 0,6×(Еп – 2Ud),

где Еп — напряжение питания элемента;

Ud — напряжение спрямления кремниевого р-n-перехода.

Для элементов ТТЛ с простым инвертором при емкостях нагрузки менее (5–10) пФ работа и время переключения элемента в (3–5) раз меньше, чем у элемента с усилителем мощности. При емкости нагрузки более (50–100) пФ названные параметры элемента с простым инвертором в подобной пропорции уступают элементу со сложным усилителем мощности. При типовых значениях отношений R1/R2 =(2–4) и R2/R3 = (1–2) работа переключения составляет (50–100) пДж. Минимальной задержке (5–6) нС соответствует потребляемая мощность (15–30) мBт.


На рисунке 2.77 изображен вариант топологической конфигурации элемента на кристалле. Позициями а, б, в, г на рисунке соответственно отмечены граница защитного окисла на кристалле, топология резистора для тестирования резистивных слоев кристалла, набор фигур контроля совмещения слоев, топология тестового транзистора. Нумерация контактных площадок кристалла рассматривается как условная, если показанные на рисунке изображения номеров на реальном кристалле отсутствуют. В этих условиях для определения номера контактных площадок для приведенной на рисунке топологии кристалла следует руководствоваться расположением площадок относительно фигур совмещения (в) или топологических конфигураций тестовых фигур (б), (г).


На главную